特種機器人的低電壓大功率電機驅動系統(tǒng)設計

現(xiàn)階段電氣系統(tǒng)抗核輻射的主要途徑是使用鉛屏蔽層將控制系統(tǒng)完全包裹起來,以達到屏蔽效果，通常鉛屏蔽層厚度約為7 cm?？紤]到使用該方式對其進行抗核輻射加固會導致機器人體積龐大且笨重，所以很有必要設計一款適用于核輻射應急處理機器人的底盤電機驅動系統(tǒng)。
參考文獻[1]設計了一款輸出功率可達9 kW的電機驅動器，但該驅動器使用了28 V/125 V DC-DC變換器，使得驅動器體積非常龐大，不適用于核應急處理機器人的底盤電機驅動。參考文獻[2]和參考文獻[3]均設計了一種輸出電壓為24 V、電流為10 A的驅動器，由于其輸出功率過小，顯然也都不能用于核應急處理機器人的底盤電機驅動。
針對上述問題，本文提出一種使用IR2184驅動且由并聯(lián)MOS管搭建的H橋大電流電機驅動設計方案。本文針對驅動中的尖峰問題設計RCD吸收回路，并針對MOS并聯(lián)中的局部過流問題設計均流保護電路，從而保證驅動器能可靠穩(wěn)定地工作。
1 系統(tǒng)方案設計
本設計需要驅動的特種機器人重約850 kg，所以要求底盤電機的輸出功率約為1 200 W，因此底盤電機驅動器的輸出功率至少應為1 500 W。機器人只能由自身攜帶的電池供電，并且要求其機動性強、體積小，所以設計中需使用24 V電池為驅動供電。根據(jù)1.5倍峰值電流的標準[1]，本文需設計一個輸出電壓為24 V、輸出電流最大為100 A的驅動器。
驅動器的整體框圖如圖1所示，包括STM32最小系統(tǒng)、串口模塊、DC-DC隔離電源模塊、狀態(tài)指示模塊、電機驅動電路和RCD吸收電路。

2 硬件電路設計
本設計以STM32為控制核心，產(chǎn)生PWM波控制柵極驅動芯片IR2184，進而驅動由NMOS并聯(lián)搭建的H橋。同時本設計使用RCD吸收電路吸收電機啟停中的尖峰，均流保護電路使得并聯(lián)MOS管間的電流盡量均衡。
2.1 驅動電路設計
在H橋中，要使NMOS管完全導通，要求VGS>10 V。對于下橋臂，直接加10 V以上的電壓就可使NMOS導通；但對上橋臂，要使NMOS導通，就必須滿足VG>VSS+10 V。因此必須使用浮動柵極驅動，才能使得上橋臂導通。柵極驅動芯片IR2184是懸浮柵極驅動芯片，具有自動死區(qū)時間控制，所以本設計使用其作為NMOS的驅動芯片。
圖2是IR2184的自舉驅動電路，由2片IR2184驅動一個由IRFP3206構成的H橋電路，實現(xiàn)對電機的正反轉控制。其中，PWM1、PWM2是STM32產(chǎn)生的PWM經(jīng)光耦隔離之后用來進行電機速度控制的信號；D1~D4為泄放二極管，作用是在沒有柵極驅動信號時迅速泄放掉輸入電容中的電荷；D5~D8為12 V的穩(wěn)壓二極管，用作鉗位，以確保VGS電壓正常，進而保證MOS管驅動正常；D11~D14為續(xù)流二極管，用于增加MOS管的續(xù)流能力；R9~R12為下拉電阻；C3~C6為電源濾波電容，用于維持IR2184電源的穩(wěn)定。

C1、C2為自舉電容，D9、D10為自舉二極管。參數(shù)選擇如下[4]：
(1)自舉電容的電容值選取
在本設計中，自舉電容的容量由式(2)決定，根據(jù)IRFP3206的數(shù)據(jù)手冊知，Qg=170 nC，IGSS=100 nA。同時在本設計中VCC=12 V，Vf=1.3 V，VLS=0.7 V，QIS=5 nC，f=1 kHz，于是C1、C2的最小值為1.2 μF，故本設計中使用

2.2 RCD吸收電路
在驅動的實際測試過程中發(fā)現(xiàn)，在電機啟停時，驅動器輸出端有較大沖擊電壓，有時甚至高達60 V，這個電壓可能將MOS管擊穿，所以必須使用RCD吸收電路來濾除尖峰。在如圖3所示的電路(省略驅動電路)中，將RCD吸收電路并聯(lián)在MOS管的漏極和源極之間，以保證驅動器更加穩(wěn)定可靠地工作。

為避免由反向恢復引起震蕩而產(chǎn)生的過電壓，吸收電路中的二極管DA應該選擇正向導通電壓低、反向恢復時間短的二極管，在本設計中使用SS24。
2.3 MOS管并聯(lián)設計
所有并聯(lián)的MOS管導通時的管壓降是相同的，必然是飽和電壓小的MOS管先流過較大的電流。由于功率MOS管的通態(tài)電阻RDS(on)具有正溫度系數(shù)，因此，從原理上講，MOS管具有電流自動均衡分配的特性，是很適合并聯(lián)的[6]。
圖4所示為MOS管并聯(lián)示意圖（忽略2184驅動和RCD吸收電路），在本設計中采用3個MOS管并聯(lián)的方式驅動電機。為抑制柵極震蕩，每個MOS管都使用獨立的柵極電阻；為保證各并聯(lián)MOS盡可能地熱耦合，并聯(lián)的MOS安裝在同一片散熱片上；為保證MOS管并聯(lián)驅動效果，MOS管盡量選擇性能接近的同一批次MOS管。

多管并聯(lián)的理想情況是并聯(lián)的MOS管同時通斷，如果電流分配不均，導致管壓降小的MOS流過的電流過大，其必然會被燒毀，其他MOS管也難以幸免。為了保證并聯(lián)MOS管間盡可能均流，在本設計中采用對每個MOS管單獨限流的方式來限制其流過的電流[6]。如圖4所示的電路，在每個MOS管組中串聯(lián)電流檢測用的錳銅采樣電阻R10、R20、R30，其電阻值為2 mΩ，經(jīng)線性光耦模塊后將AD1、AD3、AD5接到STM32單片機的AD引腳上，用作電流反饋。在本設計中，采用3個MOS管并聯(lián)，最終驅動器的最大驅動電流為100 A，由式(6)可算得每個MOS管的電流保護點Ip=43 A。

在如圖4所示的電路中，如果HO輸入一定占空比PWM信號后，Q1、Q5、Q9都導通，而且流過每個MOS管的電流都在Ip范圍內。此時增加PWM的占空比，假設此時流過Q5的電流已超過Ip范圍，則會產(chǎn)生過流信號限制PWM的繼續(xù)增加，由于MOS管的自動均流特性，Q1、Q9的電流會增加，同時Q5的電流減小，小于Ip電流保護點，則過流信號消失，PWM的占空比就可以繼續(xù)增加。以后一直重復以上過程，直到達到新的電流平衡為止，最終實現(xiàn)驅動器輸出電流為100 A的目的。
3 實驗驗證
(1)RCD吸收電路驗證
如圖5所示，在沒有RCD吸收電路時，隨著PWM占空比的增加，尖峰電壓迅速增加；使用RCD吸收電路后，尖峰電壓沒有明顯變化。實驗表明，本文設計的RCD吸收電路能基本吸收尖峰電壓，并將其控制在30 V以下，這樣對MOS管的沖擊較小，MOS管能更穩(wěn)定地工作。

(2)驅動器輸出特性驗證
為了測試驅動器的實際輸出性能，本文選用淄博惠康微電機公司生產(chǎn)的J130ZYT66PX36A3直流力矩電機進行了實際測試。如圖6所示，本文設計的驅動器在水泥場地上輸出的最大電流已超過100 A，且MOS管溫升不明顯。

本文使用RCD吸收回路削弱了電機啟停過程中產(chǎn)生的尖峰，將尖峰控制在30 V以下；同時使用均流保護電路很好地解決了并聯(lián)MOS管局部過流的問題，從而達到了驅動電壓為24 V時，持續(xù)驅動電流達100 A的目的。實驗表明，本文提出的使用IR2184驅動由并聯(lián)MOS管搭建的H橋的設計實現(xiàn)了對項目中核應急處理機器人的穩(wěn)定可靠控制。
參考文獻
[1] 黃偉君.雙凸極永磁電機恒速系統(tǒng)的研究[D].南京：南京航空航天大學，2006.
[2] 余曉填，楊曦，陳安.基于移動機器人直流電機驅動電路的設計與應用[J].微電機，2011，44(11)：37-38．
[3] 陳曦，隋龍.低電壓大功率直流電機驅動器[J].電機控制與應用，2009，36(12)：10-13.
[4] International Rectifier.應用指南AN-978“高壓懸浮門驅動IC”[EB/OL].(2013)[2013].http：//www.irf.com/technical-in-fo/appnotes/an-978c.pdf.
[5] 春蘭.獨立運行光伏發(fā)電系統(tǒng)功率控制研究[D].呼和浩特：內蒙古工業(yè)大學，2007.
[6] 陳毓輝.功率MOS管并聯(lián)方法的研究[J].自動化技術與應用，2012，31(5)：72-76.